Current Issue

2.1.1.1 광투과식 매연측정 원리

차량 배기구로부터 형성된 배출가스 플럼 내 존재하는 매연에 의한 선택적인 파장 대역의 광 감량을 정량적으로 계측한 후 아래와 같은 비어램버트의 법칙(Beer-Lambert’s law)에 따른 공식으로 매연 농도를 산출한다. 식 (1)에 따라 투과도(T)가 계산되며, 이는 매연 농도에 따른 흡광계수(k)에 반비례한다. 이때 퍼센트 매연 농도(C)는 식 (2)와 같이 계산할 수 있으며, 이는 광투과식 매연측정기의 대표적인 계측값으로 활용되는 파라미터이다. 이때 광경로는 광투과식 매연측정기의 측정셀의 설계 요건에 따라 결정되므로 광원부에서 발광한 광량 대비 수광부에서의 수광 세기를 계측할 수 있다면 매연 농도를 산출할 수 있다.

2.1.1.2 매연 원격측정기 작동 원리

매연 원격측정기는 아래의 네 가지 주요 모듈로 구성된 측정 시스템이라고 할 수 있다. 각 모듈의 주요 기능은 아래와 같으며, 서로 유기적으로 신호를 주고받음으로써 다량의 운행차 매연 농도를 계측하고 이를 중앙 서버로 전송하는 기능을 수행한다.

• ① 광원부 모듈 : 광원으로부터 가시광을 발광하여 매연 농도에 따른 광 감쇄를 유발
• ② 수신부 모듈 : 광원부로부터 발생된 가시광원을 수광하여 신호의 세기를 측정한 후 이를 이용하여 매연 농도 산출 수행
• ③ 속도/가속도 측정 모듈 : 통과 차량의 속도 및 가속도를 계측하고 이를 통해 비출력(Vehicle Specific Power, VSP)을 계산하는 모듈로서 이를 통해 계측 데이터 유/무효 판별과 매연 계측 시점 결정 기능을 수행
• ④ 차량번호 인식 모듈 : 통과 차량의 차량 번호판 정보를 인식하여 데이터화함과 동시에 이를 계측된 매연 농도값과 연계하여 중앙 관리 서버로 전송하는 기능을 수행

Fig. 2와 같이 차량이 통과하면 우선 속도/가속도 측정 모듈을 통해 속도 및 가속도를 계측하고 이를 통해 산출된 비출력 값을 산출하며, 매연농도 계측을 실시하게 된다. 내장 알고리즘에 따라 계측 시점이 결정되며, 해당 시점에 광원부로부터 발광 및 수신부로부터 수광 및 검출된 신호 세기를 통해 매연 농도 산출이 곧바로 진행된다. 동시에 차량번호 인식 모듈을 통한 차량번호 인식 데이터를 취득한 후 차량별 취득된 모든 데이터를 데이터베이스화 하여 자동차 배출가스 종합전산시스템으로 전송한다.

Photo. 1 
Main modules of smoke remote sensing device

2.1.2.1 주요 기술적 특징

• ① 다채널 광학계 구현 : 매연 원격측정기를 통과하는 차량은 차종에 따라 바닥으로부터 배출구가 위치하는 높이가 다르므로 단일 광학계를 사용할 경우 배기구 높이에 따른 측정값이 상이하여 측정 신뢰도가 현저히 낮아진다. 이에 여러 차량의 배출구 높이를 폭넓게 고려할 수 있도록 10개의 다채널 광원으로 구성될 수 있도록 내부 광경로를 설계 및 구현하였다.
• ② 개방 광경로(Open path) 보완 : 원격측정에 따라 개방 광경로 방식의 측정이 불가피하며, 이때 폐쇄광경로 방식(Close path)에 비해 영점(Zero) 및 교정값이 시간이 지남에 따라 초기 설정값에서 벗어날수 있는 가능성이 크다. 이에 주기적인 자체 영점조정 및 검증(Audit)을 실시할 수 있도록 표준 매연필터 및 자동 교정 기구부를 내장하여 주기적인 자동 검증 기능 및 자동 영점조정 기능을 구현하였다. 또한 신호 안정성을 보완하여 광원부-수신부 모듈 간 이격거리 8 m까지 측정이 가능하도록 제작하였다.
• ③ 단일 광경로 측정 방식 구현 : 도로 건너편에 반사모듈 설치를 통한 이중 광경로 측정방식의 경우 충분한 광감쇄가 가능하여 신호 안정성 측면에서 장점이 있으나, 광원부 모듈 구조가 복잡해지고 설치 시 광축 정렬이 어려워 운용성이 떨어진다. 이에 단일 광경로 방식의 매연 RSD 제작을 통한 각 모듈 구조 간단화를 통한 경량화, 광축정렬 용이화, 배터리 전원 탑재를 통해 운용성이 크게 개선되었다. 또한 충분한 광 감쇄 및 광량 감응이 가능하도록광원의 출력 증가, 광센서 감도 강화를 통해 측정기기 측정 안정성 또한 확보하였다.

2.1.2.2 제원 및 목표 성능

매연 원격측정기의 주요 제원은 Table 1과 같다. 광원부 모듈은 520 nm 녹색광을 사용하며, 내부 반사경 및 빔스플리터(Beam splitter)를 통해 다채널 광경로를 구현하였다. 수신부 모듈은 520 nm 파장대역에 선택적 감응 부품을 사용하여 정확도를 확보하였다.

목표성능은 Table 2를 통해 확인할 수 있으며, 정확도 관련 기준은 관련 법정 고시 기준과 동일하게 선정하였다. 추가적으로 현장 상황과 운용성을 고려하여 충분한 이격거리와 데이터 취득 속도, 차량속도 인식 범위, 차량번호 인식률을 달성할 수 있도록 목표 설정하였다.

2.2.1.1 광원 선정

광원은 Photo. 2와 같이 매연 농도 특성을 반영할 수 있는 파장대역인 520 nm 녹색광을 발광하는 레이저 방식의 모듈을 선정하였으며, 노이즈 대비 충분한 광 감응이 발생할 수 있도록 충분한 출력을 가진 제품을 선정하였다. 또한 광원의 안정적인 세기를 유지하는 것이 중요하며 전원 안정화 회로 적용 등을 통해 이를 실현하였다.

Photo. 2 
Laser source module(left) and beam splitter(right)

2.2.1.2 다채널 광량 배분을 위한 광로 설계

매연 원격측정기를 통과하는 차량은 차종에 따라 바닥으로부터 배출구가 위치하는 높이가 다르므로 다채널광경로의 구현이 필요하다. 개발품은 총 10개의 다채널광경로를 구현하였으며, 그에 따라 광경로가복잡해진다. 그럼에도 불구하고 광량 감소 효과를 제거하고 안정적인 광경로를 보장하기 위한 설계방안을 적용하였고, 균일한 광량 분배를 위해 적절한 제원의 빔 스플리터를 선정함으로써 측정 정확도를 확보하였다.

2.2.2.1 광센서 모듈 선정 및 신호 안정화

Photo. 3의 광센서 모듈 선정 시 충분한 감응면적을 확보하여 광 감응 신호 정확도를 개선하고자 하였다. 또한 감응 가능 입사광의 입사각도 범위가 넓은 부품을 선정함으로써 신호 감도가 향상되었고 광축 정렬 또한 용이해져 실제 시험자의 설치 관련 현장운용성이 개선되었다. 수광 신호에 대한 노이즈 제거 및 감도 제어를 위하여 로우패스필터를 적용하였으며 수신부 입력부에 가변저항을 적용하여 수광신호의 세기를 조절할 수 있도록하였다. 또한 고속 수신 데이터를 평균산출하여 데이터 노이즈를 보완하도록 하였다.

Photo. 3 
Optical sensor(left) and bandwidth filter characteristic (right)

2.2.2.2 광학필터 선정

일사광선 등의 외부광원의 영향을 최소화시키기 위해 Photo. 3과 같은 사용광원의 파장대역만을 선택적으로 투과시킬 수 있는 광학필터를 적용하였다. 또한 높은 투광율 달성을 위해 광원의 파장대역에 대한 선택적 은나노 AR코팅(무반사 코팅)을 수행하였으며, 이에 70-80 % 수준의 광학필터 투광율을 확보하였다. 이 외, 수광부의 수신감도를 높이기 위하여 광원부에 적용한 빔 익스팬더(Beam expander)의 집광성능을 개선하고 수신된 광원의 크기를 최적화 하여 광원의 세기를 최대로 확보하였다.

2.2.3.1 속도/가속도 측정 원리 및 모듈 개발

우선 일정 거리를 가지고 설치된 서로 다른 2개의 측정센서에서 차량 앞바퀴와 뒷바퀴가 지나가는 시간을 계측하여 아래의 식 (3)과 (4)를 통해 속도 및 가속도를 산출한다.

where T₁ : the time when front tire is sensed by front sensor
T’₁ : the time when rear tire is sensed by front sensor
T₂ : the time when front tire is sensed by rear sensor
T’₂ : the time when front tire is sensed by rear sensor

또한 본 모듈을 통해 속도 및 가속도 측정센서 측정값을 통해 계산된 속도, 가속도, 비출력 정보를 통해 탄력주행 등 충분한 배출가스가 발생하지 않는 상황에 대한 데이터 무효 처리 작업도 수행한다.

2.2.3.2 속도/가속도 측정 정확도 검증

직선 주행로 시험장 설치 및 시험차량 통과 시 계측 및 기준장비와의 비교를 통해 본 모듈의 성능 시험을 진행하였고 그 결과는 Table 3과 같다. 평균 0.29 km/h의 오차가 확인되었으며, 최대 오차의 경우에도 -1.03 km/h에 불과하여 시험 시 본 모듈에 따른 영향이 크지 않음을 확인할 수 있었다.

2.2.4.1 차량번호 인식 원리 및 개발

차량번호 인식을 위해 고속 피사체에 대한 고성능 카메라 모듈과 이미지에 대한 문자인식 알고리즘이 탑재된 소프트웨어 모듈이 필요하다. 전자의 경우는 고해상도 고속카메라를 통해 이미지 포착 정확도를 확보하였으며, 후자의 경우 상용화된 차량 번호판 인식(License Plate Recognition, LPR) 모듈을 적용하였다. 차량 번호판 인식은 이미지로부터 외곽선 추출 후 이를 국내 차량 번호판의 문자 형상 데이터베이스에서 검색하는 방식으로 진행되며, 신형 번호판 앞의 숫자 세 자리까지 인식할 수 있도록 모듈을 구현하였다.

2.2.4.2 차량번호 인식률 검증

차량 번호판 인식률 검증은 자동 측정 데이터와 직접 확인한 계측값의 일치 여부를 확인하는 방식으로 시험하였다. 공용 도로에 해당 모듈과 차속 측정 모듈을 동시 설치함으로써, 속도 구간 별 차량번호판 인식률 검증 시험을 실시하였다. 약 500대의 차량에 대해 검증하였으며, Table 4와 같이 속도 구간이 높아질수록 인식률이 감소하는 경향을 보이나 평균 인식률 93 %의 높은 인식률을 확인할 수 있었다.

2.2.5.1 매연 원격측정기 시스템 운용 소프트웨어 개발

매연 원격측정기 운용 소프트웨어를 통해 무인 운용 기반의 통신 프로토콜을 정의하였다. 이를 통해 대량 측정 데이터의 데이터베이스화 및 중앙 관리 서버로 전송이 가능함은 물론 Fig. 3과 같이 매연 RSD 설치 이후 운용에 필요한 영점 조정, 표준필터를 통한 검증 및 현장 문제 해결 등을 원거리 제어를 통해 무인 운용이 가능하다.

Fig. 3 
Smoke RSD installation and operation flow

2.2.5.2 차량 통과 시 매연 측정 시점 결정 알고리즘

차량의 통과 시 적절한 시점에 매연 농도 계측이 이루어져야 한다. 이를 위해 속도/가속도 측정 모듈에서 계측된 차속을 감안하여 차속 통과 후 일정 거리에서 매연 계측이 이루어질 수 있도록 알고리즘을 구현하였다. 또한 차량 외형이 상이하고 차량의 배기구높이가 다르기 때문에 다채널 센서 신호와 신호 처리시간을 종합적으로 고려하여 안정적인 매연 측정 시점 결정 알고리즘을 구현하였다.

3.1.1.1 시험 방법

광투과식 매연측정 모듈의 측정범위(0~100 %) 전체에 대한 측정 정확도를 확인하기 위한 시험으로, 35 %, 60 %, 80 %에 해당하는 매연필터를 교대로 장착하여 계측되는 값을 반복 측정하며 세부 시험방법은 ｢환경측정기기의 형식승인 · 정도검사 등에 관한 고시｣를 준용하였다.

3.1.1.2 시험 결과

각 광로 채널 별 직선성 시험 결과는 Table 5와 같다. 각 채널 별 정확도에 대한 편차는 있으나, 최대 편차가 0.6 %에 불과할 정도로 양호한 결과를 확인할 수 있었다.

3.1.2.1 시험 방법

광투과식 매연측정 모듈의 반복성을 평가하기 위해 측정범위(0~100 %) 전체에 대한 반복성 시험을 진행하였으며, 측정 범위 별 5회 반복 측정하였다. 세부 시험방법은 ｢환경측정기기의 형식승인⋅정도검사 등에 관한 고시｣를 준용하였다.

3.1.2.2 시험 결과

각 광로 채널 별 반복성 시험 결과는 Table 6과 같다(실제 계측 빈도가 가장 높은 35 % 필터 결과만 표시). 각 채널 별 정확도에 대한 편차는 있으나, 최대 편차가 0.5 %에 불과할 정도로 양호한 결과를 확인할 수 있었다.

3.1.3.1 시험 방법

Fig. 4 
Test bench schematic(Chassis dynamometer correlation test)

시험차량을 차대동력계 상 위치시킨 후 운행 경유차 배출가스 정밀검사 시험모드인 KD-147 모드를 주행하면서 배출되는 매연을 기준장비와 비교장비를 통해 측정하여 위의 식 (5)를 통해 두 장비 간 상관성 계수를 비교 분석하였다. 이때 비교장비는 본 연구를 통한 개발 RSD 이외에도 외산RSD도 포함시킴으로써 개발 제품의 외산제품 대비 정확도를 추가적으로 분석하고자 하였으며, 동일한 시험 조건을 구현하기 위해 두 장비를 병렬위치시킨 후 동시 시험하였다. 시험벤치 구성은 위의 그림과 같다. 차대동력계 상 차량으로부터 발생하는 배출가스를 기준장비와 비교 장비가 동시에 계측하며 전자는 샘플링 방식으로, 후자는 원격측정방식으로 계측한다. 기준장비 또한 동일한 광투과식 매연측정 방식의 측정기를 사용하였으며, 샘플링 시간에 따른 계측시간 차이는 시간 동기화(Time synchronize)를 통해 보정하였다. 시험 차량은 충분한 매연농도가 발생할 것으로 예상되는 2007년 식 Euro-4 사양으로 선정하였으며, 시험의 객관성 확보를 위해 동일 시험자를 통한 10회 반복 시험을 진행하였다.

3.1.3.2 시험 결과

Table 8을 통해 외산RSD 대비 국산화 개발 RSD의 상관성 성능시험 결과를, Fig. 5 및 Fig. 6을 통해 기준장비 대비 각 RSD 장비의 매연 계측 특성을 확인할 수 있다. 국산화 개발 RSD의 상관성은 0.586으로 기존개발품인 외산장비의 결과값(0.581) 대비 동등 이상 의 상관성이 확인되었다. 또한 기준장비 대비 상관성 그래프 기울기에서도 외산 장비 대비 상당히 양호한 결과가 확인되었다. 그러나 기준장비 대비 매연 계측 농도가 20 % 수준으로 계측되고 있는 경향이 확인되며 추가적인 시험실 시험 및 현장 적용 시험을 통한 다고 판단된다.

Fig. 5 
Lab-test result (Domestic developed RSD)

Fig. 6 
Lab-test result (Foreign developed RSD)

기준장비 대비 국산 및 외산 매연 RSD의 계측값은 서로 유사한 경향이 확인되었으며, 이는 국산 매연 RSD와 외산 장비의 기본 측정원리가 유사하기 때문으로 사료된다. 다만, 기준장비 측정값 대비 개발 장비의 경우 약 20 % 수준의 농도값을, 외산 장비의 경우 약 3 % 수준의 농도값이 계측되었다. 이는 차량 배기관에서 매연농도가 높은 배출가스를 직접 채취하여 계측하는 기준장비에 반해, 충분히 확산된 상태의 배출가스 플럼을 원격으로 계측하는 매연 원격측정기의 원리에 기인하는 것으로 사료된다. 이에 향후 안정적인 현장 활용을 위해서는 추가적인 보정작업이 필요할 것으로 사료된다.

실제 공용도로에서는 외부 풍속 등의 기후조건, 차량 이동에 따른 배출가스 플럼의 확산형상 차이, 차량 통과에 따른 정확한 계측시점 확보 여부, 차량 인식 정확도 등 시험실 시험에 비해 상당히 많은 변수가 존재한다. 현장적용에 대한 문제점 검토와 방법을 구체화하기 위해서 시험주행로에서의 시험을 실시하였으며, 시험벤치 구성은 차대동력계가 시험주행로로 대체된 점을 제외하면 Fig. 3과 동일하다. 시험실 시험과 동일한 기준장비를 활용하였으며, 비교장비는 개발 제품만 포함하였다. 시험주행로는 평로와 경사로(구배 3.7˚) 두 곳을 선정하여 부하에 따른 경향성을 분석하고자 하였으며, 안정적인 시험 결과값을 계측하기 위해 각 시험 속도에서 정속주행 조건으로 계측장비를 통과하였다. 결과의 신뢰성 확보를 위해 각 조건에서 100회 반복시험을 수행하였다.

Table 10을 통해 국산화 개발 RSD의 시험조건 별 상관성 시험 결과를, Figs. 7~10을 통해 각 시험 조건에서의 개발 RSD의 매연 계측 특성을 확인할 수 있다. 주행조건 별 매연 배출농도 경향이 차이나는 관계로 각 그래프의 축 범위는 매연농도 결과값에 맞추어 설정하였으며, 다만 축의 눈금 간격은 동일하게 도시하였다. 저농도 매연 배출 조건이 형성될 수 있는 평로 주행조건에서 상관성이 비교적 높은 경향이 확인되었으며, 동일한 맥락에서 40 km/h 조건보다는 매연 배출 농도가 적은 30 km/h 조건에서 더욱 상관성이 높았다. 다만, 저부하 시험조건 일지라도 30 km/h및 40 km/h 조건에서 상관성 계수는 각각 0.357과 0.283으로 약한 양의 상관계수만이 확인되어 개방 광경로 특성 상 많은 오차요인이 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있었다.

Fig. 7 
Field-test result (Flat road, 30 km/h)

Fig. 8 
Field-test result (Flat road, 40 km/h)

Fig. 9 
Field-test result (Slope road, 30 km/h)

Fig. 10 
Field-test result (Slope road, 40 km/h)

매연 배출농도가 비교적 높은 경사로 주행 조건에서는 더욱 상관성이 낮았다. 30 km/h 및 40 km/h 조건에서 상관성 계수는 각각 0.132와 0.117로 다소 낮은 상관관계가 산출되었으며, 매연 배출 농도가 큰 40 km/h 속도조건에서는 더욱 낮은 상관관계가 확인되었다. 이는 차량의 높은 이동속도 및 과부하 운전으로 인해 배출가스 플럼이 비교적 불안정적으로 형성되는 환경에 기인한 것으로 판단되며, 이러한 경향은 평로 주행조건에서도 동일하게 관찰된다.

전반적으로 현장 시험결과는 시험실 시험결과 대비 낮은 상관성이 확인되며, 이는 차량의 실제 이동에 따른 불안정한 플럼 형성 및 풍량 등의 외부 기상상황에 기인하는 것으로 사료된다. 이러한 문제는 광학성능 개선 등의 방식으로는 해결하기는 어려울 것으로 사료되므로, 서로 다른 운전조건 상황에 대해 시험 주행로에서 차량을 반복 통과 시키면서 보정계수를 산출하는 등의 경험적인 보정 방식이 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.